雙坡輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架的內(nèi)力計(jì)算

■殷余寶 ■安徽馬鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，安徽 馬鞍山 243000

1 引言

輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架具有自重輕、用鋼省、造價(jià)低、可跨越跨度大，在抗震設(shè)防烈度7度及以下地區(qū)受地震影響較小，制作、安裝快捷等優(yōu)點(diǎn)，近年來在工程中的應(yīng)用日益增多。

輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架自重較輕，受屋面活荷載的影響較大。屋面活荷載主要包括不上人屋面活荷載(即屋面施工及檢修荷載)、雪荷載，有些生產(chǎn)中有大量排灰的廠房及其鄰近建筑還需要考慮積灰荷載。

目前，對輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和分析的軟件主要為PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)門式剛架STS-PK結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析程序。該程序較簡單，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員所掌握，不同設(shè)計(jì)人員之間的爭議點(diǎn)主要集中在屋面活荷載的選取和屋面活荷載的布置方式上。

2 規(guī)范對不上人屋面活荷載的有關(guān)規(guī)定

不上人屋面活荷載通常指直接作用在支撐輕屋面的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的施工荷載或檢修荷載，主要考慮的是施工檢修期間屋面臨時(shí)堆積及大量施工檢修人員的荷載?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009表5．3．1中，將不上人屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定為0．5KN/m2，另在注1中說明“不上人的屋面，當(dāng)施工或維修荷載較大時(shí)，應(yīng)按實(shí)際情況采用;對不同類型的結(jié)構(gòu)應(yīng)按有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定采用，但不得低于0．3KN/m2”。美國荷載規(guī)范ASCE7-95規(guī)定“對支撐輕屋面的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，當(dāng)受荷的水平投影面積超過60m2時(shí)，不上人屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為0．3KN/m2”，但是這個(gè)值僅適用于只有一個(gè)可變荷載的情況，當(dāng)有兩個(gè)及以上可變荷載參與組合(比如尚有屋面積灰荷載)，不上人屋面均布活荷載仍應(yīng)取為0．5KN/m2。很顯然，根據(jù)規(guī)范的要求，常規(guī)的輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架計(jì)算時(shí)，不上人屋面活荷載是可以取為0．3KN/m2的，因?yàn)橐话愕妮p鋼廠房通常是不考慮屋面積灰荷載的。

3 規(guī)范對屋面雪荷載的有關(guān)規(guī)定

輕鋼結(jié)構(gòu)廠房大多為雙坡屋面，本文只討論雙坡屋面的雪荷載?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009第7．1．2規(guī)定“基本雪壓應(yīng)采用按本規(guī)范規(guī)定的方法確定的50年重現(xiàn)期的雪壓;對雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用100年重現(xiàn)期的雪壓”。對雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)主要是指大跨、輕質(zhì)屋蓋結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)的雪荷載通常是控制荷載，在極端雪荷載作用下容易造成結(jié)構(gòu)整體破壞，后果特別嚴(yán)重，因此建議將基本雪壓提高至100年重現(xiàn)期的雪壓，但這應(yīng)由相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)作具體規(guī)定。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009表7．2．1第2項(xiàng)給出了單跨雙坡屋面的積雪分布系數(shù)，結(jié)合注1“第2項(xiàng)單跨雙坡屋面僅當(dāng)坡度在20°～30°范圍時(shí)，可采用不均勻分布情況”可知，輕鋼廠房的積雪分布應(yīng)按均勻布置，因?yàn)檩p鋼廠房的屋面坡度一般都在5°以下。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009第7．2．2條指出:在計(jì)算屋架和拱殼時(shí)，應(yīng)分別按全跨積雪的均勻分布、不均勻分布和半跨積雪的均勻分布按最不利情況采用。

4 雙坡輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架的內(nèi)力計(jì)算方法

雙坡輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架內(nèi)力計(jì)算時(shí)，由于屋面活荷載起控制作用，所以屋面活荷載的選取及屋面活荷載的布置方式至關(guān)重要。輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架計(jì)算時(shí)，是否需要考慮不上人屋面活荷載的不均勻分布，規(guī)范中沒有明確規(guī)定。個(gè)人認(rèn)為，考慮到施工檢修期間屋面堆積荷載及檢修人員荷載的不確定性，應(yīng)該考慮不上人屋面活荷載的不均勻分布。

在考慮屋面雪荷載時(shí)，是否一定要按照規(guī)范第7．2．2條的規(guī)定分工況進(jìn)行分析取最不利情況。個(gè)人認(rèn)為，常規(guī)的輕鋼結(jié)構(gòu)廠房(不包括有高出屋面的天窗及女兒墻等形成明顯高差的情況)屋面的坡度一般都很小，屋面積雪能夠均勻分布，也能夠均勻融化，只需考慮屋面積雪全跨均勻分布(即雪荷載一次加載)即可。有不同意見認(rèn)為，需要考慮下雪時(shí)屋面清雪的工況，這樣就仍需考慮規(guī)范7．2．2條的各種工況。個(gè)人認(rèn)為，規(guī)范規(guī)定的雪壓值已經(jīng)充分考慮了結(jié)構(gòu)的安全，沒有必要進(jìn)行屋面清雪，而且屋面清雪人為的造成了屋面荷載的不均勻分布，是一個(gè)畫蛇添足的舉動(dòng)。

在雙坡輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架內(nèi)力計(jì)算時(shí)，不上人屋面活荷載與屋面雪荷載是否應(yīng)取較大值的工況進(jìn)行分析。個(gè)人認(rèn)為，不應(yīng)該只取荷載較大值的工況，而應(yīng)該按不上人屋面活荷載和雪荷載兩種工況分別進(jìn)行計(jì)算，取兩種工況的計(jì)算結(jié)果的最不利效應(yīng)進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)。

5 工程算例

5．1 設(shè)計(jì)基本條件

本工程位于安徽省馬鞍山市郊區(qū)，地面粗糙度為B類，場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為6 度(0．05g)，基本風(fēng)壓0．40，基本雪壓 0．65，屋面恒載0．3;本廠房結(jié)構(gòu)形式為輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架(雙坡三跨)，跨度為24m，柱距7．5m，檐口高度為8．2m(不設(shè)女兒墻)，屋面坡度1/15，廠房內(nèi)無吊車;本工程所用鋼材均為Q345B級(jí)鋼，預(yù)估構(gòu)件截面見圖1。

圖1 剛架立面圖

5．2 內(nèi)力計(jì)算及分析

本工程內(nèi)力計(jì)算采用PKPM系列STS-PK結(jié)構(gòu)計(jì)算程序。

工況一:本工程剛架計(jì)算時(shí)的水平受荷投影面積超過60，且屋面只有雪荷載，可以將不上人屋面活荷載取為0．3。按不上人屋面活荷載各跨不均勻布置的最不利情況進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，結(jié)果見圖2。

圖2 工況一彎矩圖

工況二:按照雪荷載0．65各跨均勻布置的情況進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，結(jié)果見圖3。

圖3 工況二彎矩圖

從圖2、圖3可以看出，工況二邊柱及屋面梁各部位的控制彎矩，均比工況一大;工況一中柱柱底及柱頂彎矩要比工況二大。這說明兩種工況均有對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起控制性作用的效應(yīng);不上人屋面活荷載的不均勻布置對中柱的影響較大，該工況不能因不上人屋面荷載值較小而忽略。

6 結(jié)論及建議

(1)在計(jì)算屋面雪荷載的作用效應(yīng)時(shí)，常規(guī)的雙坡輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架可以按照屋面雪荷載全跨均勻布置的情況考慮。

(2)常規(guī)的雙坡輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)該考慮不上人屋面活荷載(即屋面施工和檢修荷載)的不均勻布置。不上人屋面活荷載的取值應(yīng)滿足荷載規(guī)范的要求。

(3)常規(guī)的雙坡輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算不上人屋面活荷載和雪荷載作用下的效應(yīng)，并按照兩種情況的最不利效應(yīng)進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)。

［1］CECS102:2002(2012版)，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．

［2］GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［3］GB50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．